近距离重叠盾构隧道施工工序优化

结合深圳地铁3号线工程,采用数值模拟计算方法,研究近距离重叠盾构隧道施工的相互影响。考虑"先上洞,后下洞"和"先下洞,后上洞"两种施工顺序,重点分析施工对地表沉降及盾构管片应力和应变的影响程度,并与现场监测结果进行对比。通过对比分析可知,采用"先上后下"的施工顺序,隧道对地表沉降和管片环向应力和应变影响最小。     

考虑管片环间接头弱化的新建隧道上穿引起既有盾构隧道纵向变形分析

探究新建隧道上穿引起既有盾构隧道的纵向变形规律,对进一步评估并减少新建隧道施工对既有盾构隧道的不利影响具有重要的现实意义。现有解析方法多是将既有盾构隧道简化为搁置于线弹性地基上的等效连续梁,不能考虑隧道管片环间接头的弱化和土体非线性变形特征。首先,引入接头非连续盾构隧道模型和非线性Pasternak地基模型来考虑隧道管片环间接头的弱化及隧道–地基的非线性作用,推导得到新建隧道上穿开挖下既有盾构隧道纵向变形控制微分方程;其次通过有限差分法和牛顿迭代法求解得到既有盾构隧道纵向变形的数值解答;最后,对2个工程案例及常用等效连续梁模型对比验证。研究结果表明：等效连续梁模型计算得到的隧道纵向变形表现为连续特征,而所提方法考虑了隧道接头弱化作用,得到的隧道纵向变形表现为非连续特征,隧道纵向位移和弯矩在接头处会发生突变。通过参数分析可知,增加新旧隧道间净距可有效减少既有盾构隧道的隆起变形、弯矩和环间接头张开量;随着管片长度增加,既有盾构隧道的隆起位移略有减少,但是管片间环间张开量及弯矩随之增大;增加环间接头的刚度可有效减少既有盾构隧道的竖向位移和张开量,但是会导致隧道弯矩增加。     

小净距平行盾构隧道施工先行隧道管片附加应力监测研究

通过现场监测,研究揭示小净距平行盾构隧道施工中后行隧道掘进引起的先行隧道管片附加应力的变化规律.介绍了管片附加应力测点布置及监测方法,分析给出了管片附加应力动态变化规律,研究了附加应力与后行隧道掘进距离的关系,对管片附加应力的最大值和稳定值进行了统计分析.监测结果表明,当后行隧道掘进到监测断面附近时,附加应力有突变量,水平直径处环向受到压力作用,环向应力的量值比纵向应力大.以期能为评价小净距盾构隧道施工相互影响程度及该类盾构隧道设计,施工提供参考依据.     

地铁盾构隧道重叠下穿施工对上方已建隧道的影响

以广州地铁三号线大塘一沥浯区间盾构隧道穿越的地层条件为背景,针对盾构隧道结构的特点,引入横向和纵向不等的刚度折减系数,采用室内相似模型试验和三维有限元数值计算相结合的手段,对地铁盾构隧道重叠下穿施工所引起的上方已建隧道纵向变位、纵向附加轴力和弯矩、横向变形、横向附加轴力和弯矩进行了深入研究,探讨和揭示了围岩条件、隧道净距、顶推力等因素作用下盾构隧道重叠下穿施工所引起的已建隧道的变形和附加内力分布变化的影响规律.研究结果表明,新建盾构隧道施工所引起的已建隧道最大隆起点位于掌子面前方约2D (2倍直径) 附近,不均匀沉降主要出现在约掌子面前方3D到后方2D的范围内,顶推施工将引起已建隧道在掌子面前方产生较大附加内力,而对后方影响较小,具体视隧道埋深、间距、围岩和施工因素而定.     

京杭大运河堤防加固工程对地铁隧道影响分析

以京杭大运河堤防加固工程为背景,采用Midas GTS有限元计算软件,对工程进行全过程的仿真模拟分析,研究填河围堰、基坑开挖及降水、后期闸体运营等主要工程活动对既有隧道交通结构的安全影响,进而对堤防加固施工过程提出合理建议。研究结果表明:工程在施工和使用阶段,会引起下部地铁盾构隧道产生一定的位移和变形,闸体使用阶段对既有盾构隧道的位移和变形影响最大;在河道回填阶段,相比初始状态,盾构管片结构的内力有一定增大,其余施工工况下,盾构管片结构的内力变化不大。依据变形、应力等控制指标,对最不利条件下管片位移、应力及曲率半径等参数进行安全影响评估,认为该工程条件下,基坑开挖对区间隧道影响较小。     

软土地层并行曲线隧道施工顺序对既有隧道的影响

为了研究并行曲线隧道施工顺序对既有隧道的影响,以横琴杧洲隧道工程为依托,建立了并行曲线隧道三维有限元数值模型。在此基础上,研究了不同施工顺序和曲率半径r(r=500,800 m)下新建曲线盾构隧道开挖对既有隧道变形的影响。结果表明:施工顺序对既有隧道位移影响较小,曲率半径对既有隧道位移影响相对较大; 随着曲率半径(r=500～800 m)的增加,既有隧道位移增加约15%; 既有隧道的位移主要在盾构开挖面前方2D(D为隧道外径)、后方1D范围内产生; 施工顺序对既有隧道内力的影响与曲率半径有关; 隧道曲率半径为500 m时,施工顺序对既有隧道内力变化影响规律相似,即离盾构开挖面最近的既有隧道剖面产生的弯矩最大,且最大弯矩和最小弯矩均出现在靠近新隧道一侧; 内侧隧道先开挖时,既有隧道的弯矩(绝对值)更小,此时对于并行曲线隧道施工,内侧隧道先开挖更安全; 在盾构开挖面前方一定距离内既有隧道产生的轴力最大; 隧道曲率半径为800 m时,双线隧道近似于平行隧道,施工顺序对既有隧道内力变化和大小影响较小。     

隧道施工对近距离重叠盾构影响研究

结合深圳地铁3号线工程,采用数值模拟计算方法,研究近距离重叠盾构隧道施工的相互影响。考虑"先上洞,后下洞"和"先下洞,后上洞"两种施工顺序,重点分析后建隧道施工对地表沉降的影响程度,对已建隧道周围围岩位移的影响程度。通过对比分析可出结论,采用先下后上的施工顺序,后建隧道的施工对地表沉降和已建隧道的二次扰动更小。     

盾构隧道管片施工阶段力学行为的三维有限元分析

管片是盾构隧道最基本的结构单元,与正常使用阶段相比,管片在施工阶段承受的荷载及相应的力学行为均有较大差异。从工程经验可知,管片开裂多发生在施工阶段,因此对管片在施工阶段力学行为的研究尤为重要。采用三维有限元法,利用通用有限元软件ADINA,建立一段具有9环管片的盾构隧道数值模型。通过加入与施工阶段相对应的注浆压力、千斤顶顶力及初步引入盾尾刷的挤压作用,分析盾构隧道的变形特点及应力分布。分析结果表明,在施工阶段,管片外荷载沿隧道纵向的差异使管片环的位移及应力沿隧道纵向产生变化,各环变形的特征也不相同。由于楔形块构造的原因,使得在均匀的注浆压力下,管片环仍然出现平面外的位移,并造成一定的错台量。若注浆压力不均匀,错台量将增大,甚至能造成管片开裂。千斤顶顶力对施工阶段管片的位移、应力有明显的影响,千斤顶顶力作用是管片在施工状态下最不利的工况。     

盾构隧道施工对已建平行隧道变形和附加内力的影响研究

以盾构隧道装配式衬砌结构为研究对象,引入各向刚度不等的连续材料模型,按变形等效原则对不连续的隧道结构横向和纵向的刚度分别进行了等效折减,采用室内相似模型试验和三维有限元数值分析相结合的手段,以广州地铁三号线大沥区间盾构隧道工程为背景,对新建隧道施工所引起的已建平行隧道纵向变位、纵向附加轴力和弯矩、横向变形、横向附加轴力和弯矩进行深入研究,探讨和揭示围岩条件,隧道净距,顶推力等因素对已建平行隧道的变形和附加内力分布变化规律的影响.研究结果表明,新建盾构隧道施工所引起的已建隧道的影响主要集中于邻近新建隧道侧的拱腰附近,在软弱地层保持一定的隧道净距是必要的,盾构顶推力需控制在一定范围内,具体视围岩、净距以及可能造成的位移、相对变形和附加内力情况而定.     

污水干管顶管法施工对近接地铁隧道影响分析

结合杭州临平污水总管上跨既有盾构隧道工程,通过理论计算及三维有限元数值模拟计算,分析了顶管施工过程中对既有盾构隧道及地表的影响,结果表明,上跨顶管施工后,盾构顶部最大上浮位移为5.267 mm,地表最大隆起位移为1.8 mm,附加弯矩为1.6 kN·m,说明上跨顶管施工引起既有盾构隧道的变形及附加内力处于可控范围,并在此基础上,结合工程实际提出了相应控制措施.     

重叠隧道施工数值分析

以佛山地铁莲塘-张槎盾构区间重叠隧道为工程依托,运用MIDAS/GTS有限元程序模拟盾构开挖的全过程,采用不加固和地面加固两种施工工况,分析不同工况下重叠隧道施工对地表沉降和盾构管片内力影响,结果表明:地层受盾构施工的影响范围都逐步扩展,地表沉降曲线符合Peck沉降槽规律。地面加固后地表最大沉降量约为18.8mm,未加固地表最大沉降量约为102.3mm。洞内注浆加固后能够减小盾构管片内力。     

相邻线路盾构施工对既有隧道的影响

 在刚度迁移原理的基础上,提出求解各施工步影响的沉降差值法,由单步增量求得相邻线路盾构施工对既有隧道影响全量。对某市地铁隧道的后施工线路盾构推进过程进行仿真计算,发现后施工隧道所产生之塌落拱拱脚作用在临近既有隧道斜上方这一受力机制,得到单施工步引起的既有线路管片最大环向拉应力值为0.13 MPa,最大累积附加拉应力为0.857 MPa;结合对考虑拼接缝的既有隧道管片受力状态的分析,找到裂缝隔片产生在连接块上的重要内在原因。研究成果丰富了模拟相邻巷道施工影响的仿真计算方法,并对城市地铁隧道等类似工程在设计和施工中预防裂缝出现具有一定的指导意义。     

用冻结法修建地铁联络通道施工力学研究

采用三维有限元方法,模拟研究了冻结法施工条件下修建盾构隧道与联络通道组成复杂空间结构的施工力学行为。研究结果表明:因联络通道施工,将引起交叉部管片在整体上由“轴心受压向偏心受压”转变以及沿交叉部管片上下截面“整体受拉”的严重不利受力状况;与联络通道施工前相比较,交叉部管片呈现出沿纵向内力大幅度显著增长的受力特征(最大弯矩增长了9倍之多)。因此,对交叉部管片设计,不仅要求检算其横向内力满足技术规范,还应加强对其纵向结构强度的专门设计,以确保交叉部管片安全。     

盾构隧道双层衬砌结构三维力学分析模型及验证

在已有双层衬砌梁–弹簧模型的基础上,提出了改进的双层衬砌盾构隧道三维壳–弹簧力学分析模型。该模型采用压杆–弹簧组合方式模拟双层衬砌的结合面力学相互作用,并充分考虑了由盾构隧道管片接缝引起的结构刚度沿环、纵向分布不连续效应。依托武汉地铁8号线越江隧道工程进行建模计算分析,将计算得出的内力数据与现场实测的内力数据进行对比,两者具有一定的一致性,验证了该模型模拟双层衬砌盾构隧道结构三维力学行为的准确性和适用性。研究结果表明:(1)管片内力分布受到环缝和纵缝的影响呈现明显的不连续性,且由于地层岩性不均,管片上部与下部的弯矩亦有较大差异;(2)管片受力稳定后施作二衬,管片自身的内力量值变化较小,二衬主要受到自重作用,内力分布呈现"上小下大"分布规律,其量值与管片相比较小,在建设初期仅起到辅助承载作用。     

通道开口对超大直径盾构法车站结构力学行为影响研究及结构优化

针对狭窄空间地铁车站施工困难以及明挖施工造成道路长期封堵等工程现状,提出采用顶管法结合超大直径盾构隧道暗挖地铁车站的工法。针对工法中拆除管片后,未拆除管片轴力骤降,附近纵缝剪切和抗弯性能降低的结构特性,同时也为体现管片空间力学特征,文章提出采用基于荷载 结构模式的壳 接触计算模型,研究在拆除管片和拆除内部支撑的两个关键工序中结构的整体力学性能,确定上述暗挖车站新工法隧道开口时衬砌管片、管片接缝和内支撑体系协同受力特征,并据此提出结构优化方向：①调整衬砌开口位置上部第一个纵缝,使其远离开口上边缘,可明显减小衬砌结构变形,降低该纵缝环向螺栓拉力;②建议在拆除内部支撑、完成顶管通道与盾构隧道连接之后,再施作车站中板;③顶管通道与盾构隧道衬砌实际连接形式难以确定,建议设计时取刚接、铰接包络设计;④增强衬砌环间整体性可有效控制结构响应。     

盾构隧道60°斜穿地裂缝的变形破坏机制试验研究

 从西安地铁盾构隧道工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计盾构隧道管片衬砌结构60°斜穿地裂缝的物理模型试验。管片混凝土应变、纵向和环向螺栓应变、结构接触土压力和结构外围土压力、结构内部收敛位移、模型顶表面土体变形以及宏观变形破坏现象表明,盾构隧道管片衬砌结构60°斜穿地裂缝的变形破坏模式以剪切变形为主,局部有扭转和弯曲变形;结构破坏范围为上盘0.75D(D为管片环外径1.20 m),下盘0.50D;管片混凝土破坏主要发生在螺栓孔附近,地裂缝处纵向螺栓发生较强的剪切、扭转和拉伸变形破坏;管片衬砌结构变形破坏不对称,管片环向处于偏压状态;环缝拱顶错位量大于拱底和拱腰,拱顶最大错位量达30 mm(0.025D),模型难以适用地裂缝错动变形20 cm(0.166 7D),盾构管片衬砌结构不适用于地裂缝活动强烈的地质环境。     

热力盾构隧道先盾后井施工衬砌接头变形机理与控制

先盾后井是热力盾构隧道建设中一种高效经济的施工工法。结合中国首例大断面热力盾构隧道工程,基于纵向等效连续化模型和弹性地基梁理论,对施工过程中衬砌接头受力特征和变形机理进行了分析,并提出控制措施;然后建立了衬砌接头全断面接触面单元数值模型,对控制效果进行分析和评价;最后通过现场监测,得到了不同施工阶段管片纵向轴力及接缝变形规律。研究结果表明:先盾后井工法施工中,衬砌接头变形分为两个阶段:基坑开挖及管片拆除,其中管片拆除为接头变形的主因,基坑施工中,基底卸荷产生的负弯矩作用于隧道上,导致邻近竖井管片底部轴力减小、环缝张开,拆除基坑内管片时,作用于端头管片的残余盾构推力和螺栓预紧力消失,导致管片纵向轴力进一步衰减,环缝二次张开;根据现场监测结果,提出的对邻近竖井的管片纵向拉紧并复紧连接螺栓,进行混凝土铺底及衬砌背后二次注浆的控制措施能够有效控制轴力损失,减小接头变形,施工中环向接缝最大张开量3.51 mm,满足隧道防水要求;采用全断面接触面单元建立的数值模型可以较为精确地模拟施工中管片接头力学行为,其结果可作为控制效果评价参考依据。     

Study on inner force and dislocation of segments caused by shield machine attitude

Attitude deflection of shield machine is inevitable in process of driving forward, therefore, the tail brush, circular shape retainer and even shell of shield machine will extrude the exterior surfaces of segments. The squeezing action acting on segments causes dislocation, stress concentration and even crack in segments. Finite element code, ADINA, was used to analyze numerical tunnel model of 9 segment rings. The loads acting on different segment rings included squeezing action of tail brush under four attitude deflection, jacking forces, grouting pressure and earth pressure. The aspects of analysis included displacement feature and stress distribution. The analysis results indicate attitude deflection of shield machine causes biggish dislocation between segments, and the key segment is the most affected and weakest part in same ring which causes irregular displacement and dislocation in whole tunnel structure. In general, under squeezing action induced by shield machine, circumferential seam is much more affected than longitudinal seam. The squeezing action causes the segment dislocation exceed the limiting dislocation value which means curved bolt has extruded bolt hole and crack or breakage frequently concentrates in key segment and adjacent segment. Deflection of shield machine attitude is inevitable, but two deflection attitudes, including shield machine attitude deviates right direction and the head of shield machine goes down, should be avoided.